Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук

Канадарм 2

В СССР для аналога шаттла, корабля «Буран», тоже был изготовлен манипулятор, но так и не был использован. Однако на станции «Мир» появился АСПр – автоматическая система перестыковки. Орбитальный комплекс предполагал соединение модулей не только спереди и сзади по направлению движения станции, но и сверху, снизу и по бокам. Советский манипулятор как раз и нужен был для перемещения тяжелых частей, для чего важна была не столько ловкость, сколько надежность и точность. Впервые АСПр использовался при перестыковке второго модуля «Квант‐2» станции «Мир» на боковой стыковочный узел. Манипулятор имел два шарнира, мог поворачиваться всего в двух плоскостях и присоединяться концом к специальным гнездам станции. Зато в нем были заложены значительные резервы по прочности и амортизации. Совмещение идей «Канадарма» и АСПр позволило создать манипулятор ERA, который используется на российском сегменте МКС. Он имеет семь степеней свободы, крепится к специальным гнездам и перемещается по ним вдоль корпуса станции.

Также интересны были технологические эксперименты и последующее применение специального крана «Стрела», который выдвигался телескопически, и манипулятора OBSS, который удлинял «Канадарм» в два раза. Планировался эксперимент по использованию полностью механического копирующего манипулятора «Пеликан», но на орбите идея не получила продолжения. Зато на Земле на основе этих технологий были созданы механизмы, нашедшие применение в строительстве, грузоперевозках, работе в опасных зонах, конвейерном высокоточном производстве и медицине. Хирурги все чаще и чаще прибегают к куда более подвижным механическим рукам, схожим с космическими «собратьями».

Пока роботы были огромными, самым важным в космических полетах была радиосвязь, причем она развивалась семимильными шагами. Сложно назвать отношения более тесные, чем между ракетной промышленностью и связью. В Совете главных конструкторов трое из шести человек занимались разработкой радиокомплексов. До 1970‐х годов при каждом полете космических аппаратов проводились эксперименты по радиосвязи. Да и после на орбите периодически появлялись новые технологии для беспроводной передачи данных. Среди 12 тысяч современных спутников 10 тысяч являются спутниками связи.

Началось все с проблемы размеров передатчиков. Приемники в 1950‐х годах уже были небольшими, но для передачи данных требовалось громоздкое оборудование. Чтобы правильно управлять ракетой-носителем, нужно постоянно получать данные о ее параметрах. Следующая проблема – многоканальность: для управления нужно подавать множество разных команд. Для этого требуется оборудование, которое может использовать близкие частоты для разных функций. При этом встал серьезный вопрос надежности системы и предотвращения срабатывания от случайного сигнала. Так появились фильтры. Без них любая помеха (например, от грозы) могла привести к серьезной аварии. Постепенно ракеты-носители стали летать все дальше и дальше, и мощности передатчиков стало не хватать. Для Земли дальность ограничивалась горизонтом и округлостью планеты, поэтому не было повода создать более мощные радиокомплексы. Но космическая эра показала, что дальняя связь нужна. К тому же во время работы двигателей от жара образуется плазма – газ заряженных частиц, которые прекрасно глушат все частоты. Нужно было усиливать сигнал и искать способы выделять его из шума.

Цели удалось достигнуть уже в 1954 году, но мир узнал об этом через три года, когда первый искусственный спутник Земли передал первые сигналы. Любой радиоприемник, даже любительский, мог уловить радиоволну, идущую из космоса – от семикилограммовой станции с расстояния 900 километров. И это было только начало. Современные спутники размером 5 х 5 сантиметров имеют радиопередатчики массой три грамма. Их «коллеги» чуть большего размера находятся в сотовых телефонах, дистанционно управляемых приборах и игрушках – практически везде. Скорость передачи данных тоже увеличивается. На МКС проводился эксперимент «Инфотех», в котором использовались радиоволны S-диапазона. Более высокочастотные колебания позволяют компактнее сжимать данные и быстро передавать их, но при этом появляется больше источников помех, которые нужно учитывать при кодировании посланий. А какую информацию нужно транслировать по радио?

Для изучения космоса потребовалось снимать и передавать видео- и фотокадры, причем не только в виде записи, но и в реальном времени. Космическое телевидение зародилось при проектировании автоматической межпланетной станции «Луна‐3», которая облетела естественный спутник Земли и фотографировала его обратную сторону. Пока станция двигалась назад к Земле, пленка на ее борту была проявлена в автоматическом режиме, затем сканирующее устройство определило построчно темные и светлые точки на кадре и передало информацию об этом ученым. Изображение было в сотни раз лучше телевизионной картинки тех лет, однако по сравнению с разрешением сегодняшних фотоаппаратов 1000 x 1000 пикселей – это сущая ерунда. Космонавтика активно подталкивала оптиков и телевизионщиков к созданию более качественных беспленочных камер. Значительного прогресса добились в спутниках «Метеор» и марсианских межпланетных станциях, запускаемых в 1965–1971 годах. Мощность передатчиков и качество приемников позволили расширить дальность распространения сигнала на миллионы километров и больше. Современные камеры в мобильных телефонах – в каком-то смысле потомки космических – уже способны получать кадры гигапиксельного качества.

На фото и видео космонавты не останавливались. На станции «Салют‐6» Владимир Джанибеков и Жугдэрдэмидийн Гуррагчаа передавали по телевизионным каналам голограммы – новое слово в области визуализации. Технология пока не нашла широкого применения, но для исследования химических процессов оказалась весьма удачной.

Расширялись и другие возможности связи. Уже на первом луноходе появился сложный комплекс радиоуправления. Правда, задержка между подачей команды и получением кадра составляла 22 секунды. Но ввиду отсутствия трафика и пробок на дороге это не стало большой проблемой. На марсоходах технология была усовершенствована.

Радиоуправление позволяло дистанционно пользоваться спутниками, а в 1980‐х годах даже была задумана стыковка. Соединить два космических аппарата очень трудно – нужна высокая точность и оперативность, и задержка команды даже на секунду приведет к столкновению или промаху. Нужно маневрировать аппаратами, которые несутся с огромной скоростью. Но несколько таких экспериментов провели. Пульт управления был компактным, и его отправили на станцию «Мир». Сама система называлась ТОРУ – телеоператорный режим управления. С пульта космонавты на станции управляли грузовыми беспилотными кораблями «Прогресс». Несколько раз стыковки проходили успешно, но дважды возникали серьезные проблемы, одна из которых привела к столкновению со станцией, что могло закончиться катастрофой. Для безопасности эта система стала резервной и почти не использовалась. На Земле же развилась целая отрасль радиоуправляемых устройств и механизмов.

Космические инженеры стали искать другие технологии связи. Например, перспективной казалась передача данных с помощью света – лазеры могут с высокой скоростью передавать импульсы, в которых можно закодировать информацию. Эксперименты на земле космические инженеры начали сразу с появлением